Prediction of Reservoir Parameters of Cambrian Sandstones Using Petrophysical Modelling—Geothermal Potential Study of Polish Mainland Part of the Baltic Basin
Abstract
:1. Introduction
2. Geological and Geothermal Settings
2.1. Geological Setting
2.2. Geothermal Setting
3. Materials and Methods
3.1. Paleothermal Modelings
3.2. Modeling of Mechanical Compaction Process
- —vertical component of effective stress (MPa);
- —stress generated by overburden load (MPa);
- —pore pressure (MPa).
- —inital porosity;
- —compaction coefficient (GPa−1).
3.3. Modeling of the Chemical Compaction Process
- —gas constant;
- —quartz grain coating factor (%);
- —volume fraction of quartz grains (%);
- —average grain size of quartz (mm);
- —frequency factor;
- —activation energy;
- —quartz mass molar;
- –—quartz density;
- —absolute temperature (°K);
- —geologic time (Ma).
4. Results and Discussion
4.1. 1D Calibration Modelings
4.2. Paleothermal 2D Modeling
4.3. 2D Compaction Modeling
5. Conclusions
Author Contributions
Funding
Institutional Review Board Statement
Informed Consent Statement
Data Availability Statement
Acknowledgments
Conflicts of Interest
References
- Maćkowski, T.; Sowiżdżał, A.; Wachowicz-Pyzik, A. Seismic methods in geothermal water resource exploration: Case study from Łódź through, central part of Poland. Hindawi Geofluids 2019, 11, 1–11. [Google Scholar] [CrossRef]
- Sowiżdżał, A.; Maćkowski, T.; Wachowicz-Pyzik, A. Recognition of Lower Cretaceous geothermal potential of Central Poland with the application of geophysical methods. Sustain. Water Resour. Manag. 2019, 5, 1469–1478. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Sowiżdżał, A.; Maćkowski, T.; Wachowicz-Pyzik, A. Variability of lithofacial parameters of Lower Jurassic geothermal aquifer in the Malanów region revealed by interpretation of geophysical well logs and seismic data. Environ. Earth Sci. 2020, 79, 33. [Google Scholar] [CrossRef]
- Stefaniuk, M.; Maćkowski, T.; Sowiżdżał, A. Geophysical methods in the recognition of geothermal resources in Poland—selected examples. In Renewable Energy Sources: Engineering, Technology, Innovation, Springer Proceedings in Energy; Springer: Berlin, Germany, 2018; pp. 561–570. [Google Scholar]
- Athy, L.F. Density, porosity and compaction of sedimentary rocks. AAPG Bull. 1930, 14, 1–24. [Google Scholar]
- Schneider, F.; Potdevin, J.L.; Wolf, S.; Faille, I. Mechanical and chemical compaction model for sedimentary basin simulators. Tectonophysics 1996, 263, 307–313. [Google Scholar] [CrossRef]
- Walderhaug, O. Kinetic modelling of quartz cementation and porosity loss in deeply buried sandstone reservoir. AAPG Bull. 1996, 5, 80. [Google Scholar]
- Zinevicius, F.; Sliaupa, S. Lithuania—Geothermal energy country update. In Proceedings of the World Geothermal Congress 2010, Bali, Indonesia, 25–29 April 2010. [Google Scholar]
- Jaworowski, K. Projekt badawczy: Rozwój transeuropejskiego szwu tektonicznego—kaledonidy pomorskie i ich przedpole—wstępny przegląd wyników. Przegląd Geol. 2000, 48, 398–400. [Google Scholar]
- Poprawa, P.; Sliaupa, S.; Stephenson, R.; Lazauskiene, J. Late Vendian-Early Paleozoic tectonic evolution of the Baltic Basin: Regional tectonic implications from subsidence analysis. Tectonophysics 1999, 314, 219–239. [Google Scholar] [CrossRef]
- Mazur, S.; Mikołajczak, M.; Krzywiec, P.; Malinowski, M.; Buffenmyer, V.; Lewandowski, M. Is the Teisseyre-Tornquist Zone an ancient plate boundary of Baltica? Tectonics 2015, 34, 2465–2477. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Aleksandrowski, P.; Buła, Z.; Konon, A.; Oszczypko, N.; Ślączka, A.; Żaba, J.; Żelaźniewicz, A.; Żytko, K. Regionalizacja Tektoniczna; Polski. Komitet Nauk Geologicznych PAN: Wrocław, Poland, 2011. [Google Scholar]
- Witkowski, A. Paleogeodynamika i ropogazonośność starszego paleozoiku Pomorza i Bałtyku Południowego. Zeszyt Naukowy AGH 1989, 43, 1–128. [Google Scholar]
- Dadlez, R. Tectonics of the southern Baltic. Geol. Q. 1990, 22, 269–301. [Google Scholar]
- Pokorski, J.; Modliński, Z. Geological Map of the Western and Central Part of the Baltic Depression without Permian and Younger Deposits; Polish Geological Institute: Warsaw, Poland, 2007.
- Friis, H.; Kilda, L. The key factors controlling reservoir quality of the Middle Cambrian Deimena Group sandstone in West Lithuania. Bull. Geol. Soc. Den. 2002, 49, 25–39. [Google Scholar]
- Jaworowski, K. Transgresja morza kambryjskiego w północnej Polsce. Przegląd Geol. 1979, 94, 5–80. [Google Scholar]
- Jaworowski, K. Profil dolnego paleozoiku w północnej Polsce—zapis kaledońskiego stadium rozwoju basenu bałtyckiego. Posiedz. Nauk. Państwowego Inst. Geol. 2002, 58, 9–10. [Google Scholar]
- Pożaryski, W.; Witkowski, A. Budowa geologiczna obszaru południowo-bałtyckiego (bez kenozoiku). Przegląd Geol. 1990, 48, 703–706. [Google Scholar]
- Areń, B.; Tomczyk, H. Strukturalne kompleksy pokrywowe w starszym palezoiku zachodniej części syneklizy perybałtyckiej. Pol. Geol. Inst. Bull. 1976, 270, 21–36. [Google Scholar]
- Jaworowski, K. The Lower Palaeozoic craton margin depositional sequences in North Poland: Record of the Caledonian Stage tectonic events. EUG 10 J. Conf. Abstr. 1999, 4, 303. [Google Scholar]
- Modliński, Z.; Podhalańska, T. Outline of the lithology and depositional features of the lower Paleozoic strata in the Polish part of the Baltic region. Geol. Q. 2010, 54, 109–121. [Google Scholar]
- Matyja, H. Pomeranian basin (NW Poland) and its sedimentary evolution during Mississippian times. Geol. J. 2008, 43, 123–150. [Google Scholar] [CrossRef]
- Dadlez, R. Zarys geologii podłoża kenozoiku w basenie południowego Bałtyku. Pol. Geol. Inst. Bull. 1976, 285, 21–45. [Google Scholar]
- Majorowicz, J. New terrestrial heat flow map of Europe after regional paleoclimatic correction application. Int. J. Earth Sci. 2011, 100, 881–887. [Google Scholar] [CrossRef]
- Hajto, M.; Szczepański, A.; Sadurski, A.; Papiernik, B.; Szewczyk, J.; Sokołowski, A.; Strzetelski, W.; Haładus, A.; Kania, J.; Rajchel, L.; et al. Mapa temperatur w stropie utworów kambryjskich na Niżu Polskim. In Atlas Zasobów Geotermalnych Formacji Paleozoicznej na Niżu Polskim; Górecki, W., Ed.; Ministry of Environment, ZSE AGH: Cracow, Poland, 2006; p. 241. [Google Scholar]
- Szewczyk, J. Wyniki badań geofizycznych. In Profile Głębokich Otworów Wiertniczych—Słupsk IG-1; Polish Geological Institute: Warsaw, Poland, 2007; pp. 125–140. [Google Scholar]
- Poprawa, P. 2007. Analiza historii termicznej, warunków pogrzebania oraz historii generowania i ekspulsji węglowodorów. In Profile Głębokich Otworów Wiertniczych—Słupsk IG-1; Polish Geological Institute: Warsaw, Poland, 2007; pp. 106–108. [Google Scholar]
- Botor, D.; Golonka, J.; Zając, J.; Papiernik, B.; Guzy, P. Petroleum generation and expulsion in the Lower Palaeozoic petroleum source rocks at the SW margin of the East European Craton (Poland). ASGP 2019, 89, 153–174. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Botor, D.; Golonka, J.; Anczkiewicz, A.A.; Dunkl, I.; Papiernik, B.; Zając, J.; Guzy, P. Burial and thermal history of the Lower Palaeozoic petroleum source rocks at the SW margin of the East European Craton (Poland). ASGP 2019, 89, 121–152. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Corrado, S.; Schito, A.; Romano, C.; Grigo, D.; Poe, B.T.; Aldega, L.; Caricchi, C.; Di Paolo, L.; Zattin, M. An integrated platform for thermal maturity assessment of polyphase, long-lasting sedimentary basins, from classical to brand-new thermal parameters and models: An example from the on-shore Baltic Basin (Poland). Mar. Pet. Geol. 2020, 122, 104547. [Google Scholar] [CrossRef]
- Schito, A.; Corrado, S.; Trolese, M.; Aldega, L.; Caricchi, C.; Cirilli, S.; Grigo, D.; Guedes, A.; Romano, C.; Spina, A.; et al. Assessment of thermal evolution of Paleozoic successions of the Holy Cross Mountains (Poland). Mar. Pet. Geol. 2017, 80, 112–132. [Google Scholar] [CrossRef]
- Papiernik, B.; Botor, D.; Golonka, J.; Porębski Szczepan, J. Unconventional hydrocarbon prospects in Ordovician and Silurian mudrocks of the East European Craton (Poland): Insight from three-dimensional modelling of total organic carbon and thermal maturity. ASGP 2019, 89, 511–533. [Google Scholar] [CrossRef]
- Papiernik, B.; Michna, M. Methodology and results of digital mapping and 3D modelling of the Lower Palaeozoic strata on the East European Craton, Poland. ASGP 2019, 89, 405–427. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Sowiżdżał, A.; Hajto, M.; Stefaniuk, M.; Targosz, P.; Kępińska, B.; Kiersnowski, H.; Jureczka, J.; Karwasiecka, M.; Wilk, S.; Rolka, M.; et al. Lokalizacja potencjalnych obszarów badawczych dla niekonwencjonalnych systemów geotermicznych (HDR/EGS) na obszarze Polski. In Ocena Potencjału, Bilansu Cieplnego i Perspektywicznych Struktur Geologicznych dla Potrzeb Zamkniętych Systemów Geotermicznych (Hot Dry Rocks) w Polsce; Ministry of Environment: Warsaw, Poland, 2013. [Google Scholar]
- Suveizdis, P.; Rasteniene, V.; Zinevicius, F. Geothermal potential of Lithuania and outlook for its utilization. In Proceedings of the World Geothermal Congress, Kyushu-Tohoku, Japan, 28 May–10 June 2000. [Google Scholar]
- Szewczyk, J. Estymacja gęstości strumienia cieplnego metodą modelowań własności termicznych ośrodka. Przegląd Geol. 2001, 49, 1083–1088. [Google Scholar]
- Areń, B.; Lendzion, K.; Jaworowski, K. Profil litologiczno-stratygraficzny, Kambr-Ediakar. In Profile Głębokich Otworów Wiertniczych—Słupsk IG-1; Polish Geological Institute: Warsaw, Poland, 2007; pp. 33–36. [Google Scholar]
- Lendzion, K.; Pacześna, J. Profil litologiczno-stratygraficzny, Kambr. W. In Profile Głębokich Otworów Wiertniczych—Słupsk IG-1; Polish Geological Institute: Warsaw, Poland, 2007; pp. 28–33. [Google Scholar]
- Pacześna, J.; Podhalańska, T. Stratygrafia i litologia utworów niższego paleozoiku. In Ocena Perspektywiczności Geologicznej Zasobów Złóż Węglowodorów Oraz Przygotowanie Materiałów Na Potrzeby Przeprowadzenia Postępowania Przetargowego w Celu Udzielenia Koncesji na Poszukiwanie i Rozpoznanie Lub Wydobywanie Złóż Węglowodorów. Zadanie 22.5004.1502.02.0. Pakiet Danych Geologicznych do Postępowania Przetargowego na Poszukiwanie Złóż Węglowodorów. Obszar Przetargowy “ŻARNOWIEC”; Polish Geological Institute: Warsaw, Poland, 2017. [Google Scholar]
- Sikorska, M. Petrografia ediakaru (wendu) i kambru. In Profile Głębokich Otworów Wiertniczych—Słupsk IG-1; Polish Geological Institute: Warsaw, Poland, 2007; pp. 75–83. [Google Scholar]
- Modliński, Z. Wyniki badań własności fizycznych i chemicznych skał. In Profile Głębokich Otworów Wiertniczych—Słupsk IG-1; Polish Geological Institute: Warsaw, Poland, 2007; pp. 113–124. [Google Scholar]
- Chmielewski, W. Badania własności fizyczno-chemicznych w laboratorium polowym. In Profile Głębokich Otworów Wiertniczych—Kościerzyna IG-1; Polish Geological Institute: Warsaw, Poland, 1982; pp. 249–251. [Google Scholar]
- Hantschel, T.; Kauerauf, A. Fundamentals of Basin and Petroleum Systems Modeling; Springer: Berlin/Heidelberg, Germany, 2009. [Google Scholar]
- Stefaniuk, M.; Maćkowski, T.; Górecki, W.; Hajto, M.; Zając, A. Distribution modeling of thermal field parameters in the Polish Eastern Carpathians based on geophysical data. In Proceedings of the World Geothermal Congress, Melbourne, Australia, 19–24 April 2015. [Google Scholar]
- Stefaniuk, M. Application of electromagnetic methods in recognizing of hydrogeothermal conditions inside crystalline massifs. In Renewable Energy Sources: Engineering, Technology, Innovation; Springer Nature Switzerland: Cham, Switzerland, 2020; pp. 643–652. [Google Scholar]
- Wangen, M. The blanketing effect in sedimentary basins. Basin Res. 1995, 7, 283–298. [Google Scholar] [CrossRef]
- Kim, Y.; Huh, M.; Lee, Y.E. Numerical modelling to evaluate sedimentation effects on heat flow and subsidence during continental rifting. Geosciences 2020, 10, 451. [Google Scholar] [CrossRef]
- Caricchi, C.; Corrado, S.; di Paolo, L.; Aldega, L.; Grigo, D. Thermal maturity of Siluriandeposits in the Baltic Syneclise (on-shore Polish Baltic Basin): Contribution to unconventional resources assessment. Ital. J. Geosci. 2015. [Google Scholar] [CrossRef]
- Schito, A.; Andreucci, B.; Aldega, L.; Corrado, S.; di Paolo, L.; Zattin, M.; Szaniawski, R.; Jankowski, L.; Mazzoli, S. Burial and exhumation of the western border of the Ukrainian Shield (Podolia): A multi-disciplinary approach. Basin Res. 2018, 30, 532–549. [Google Scholar] [CrossRef] [Green Version]
- Grotek, I. Charakterystyka petrograficzna oraz dojrzałość termiczna rozporoszonej materii organicznej. Wyniki badań materii organicznej. In Profile Głębokich Otworów Wiertniczych—Słupsk IG-1; Polish Geological Institute: Warsaw, Poland, 2007; pp. 91–97. [Google Scholar]
- Majorowicz, J.; Ŝafanda, J.; Wróblewska, M.; Szewczyk, J.; Cermák, V. Heat flow variation with depth in Poland: Evidence from equilibrium temperature logs in 2.9-km-deep well Torun-1. Int. J. Earth Sci. 2008, 97, 307–315. [Google Scholar] [CrossRef]
- Wygrala, B. Integrated study of an oil field in the southern Po Basin, Northern Italy. Ph.D. Thesis, University of Cologne, Cologne, Germany, 1989. [Google Scholar]
- Kim, Y.; Lee, Y.E. Numerical analysis of sedimentary compaction: Implications for porosity and layer thickness variation. J. Geol. Soc. Korea 2018, 54, 631–640. [Google Scholar] [CrossRef]
- Giles, M.R.; Indrelid, S.L.; James, D.M.D. Compaction—the great unknown in basin modelling. Geol. Soc. Lond. Spec. Publ. 1998, 141, 15–43. [Google Scholar] [CrossRef]
- Terzaghi, K. Die Berechnung der Duerchlassigkeitsziffer des Tones im Verlauf der hydrodynamischen Spannungserscheinungen. Szber Akad. Wiss. Vienna Math-naturwiss. Kl. 1923, 132, 125–138. [Google Scholar]
- Smith, J.E. The dynamics of shale compaction and evolution of pore fluid pressure. Math. Geol. 1971, 3, 239–263. [Google Scholar] [CrossRef]
- Sweeney, J.J.; Burnham, A.K. Evaluation of a simple model of vitrinite reflectance based on chemical kinetics. AAPG Bull. 1990, 74, 1559–1570. [Google Scholar]
- Poprawa, P.; Grotek, I. Revealing paleo-heat flow and paleooverpressures in the Baltic Basin from thermal maturity modelling. Miner. Soc. Pol. Spec. Pap. 2005, 26, 235–238. [Google Scholar]
- Poprawa, P.; Kosakowski, P.; Wróbel, M. Burial and thermal history of the Polish part of the Baltic region. Geol. Q. 2010, 54, 131–142. [Google Scholar]
- Sikorska, M.; Pacześna, J. Quartz cementation in Cambrian sandstones on the back ground of their burial history (Polish part of the East European Craton). Geol. Q. 1997, 41, 265–272. [Google Scholar]
- Sikorska, M. Sylifikacja piaskowców kambryjskich z polskiej części syneklizy perybałtyckiej w świetle badań katodoluminescencyjnych. Przegląd Geol. 1992, 2, 99–101. [Google Scholar]
- Sikorska, M. Katodoluminescencja-niezbędne narzędzie w badaniach diagenezy piaskowców kambryjskich. Przegląd Geol. 1994, 4, 256–263. [Google Scholar]
- Sikorska, M. Rola Procesów Diagenetycznych w Kształtowaniu Własności Kolektorskich Skał Kambru na Obszarze Polskiej Części Platformy Prekambryjskiej; Polish Geological Institute Archive: Warsaw, Poland, 1996.
- Cyziene, J.; Molenaar, N.; Sliaupa, S. Clay-induced pressure solution as a Si source for quartz cement in sandstone of the Cambrian Deimena Group. Geologija 2006, 53, 8–21. [Google Scholar]
Stratigraphy | Depth (m) | Thickness (m) | Lithology | Thermal Conductivity of Rock Fabric at 20 °C (W/mK) | Thermal Capacity at 20 °C (cal/gK) |
---|---|---|---|---|---|
Quaternary | 0 | 47 | Sand/silt/mud | 2.39 | 0.209 |
Miocene | 47 | 103 | Siltstone | 2.05 | 0.217 |
Oligocene | 150 | 12 | Siltstone | 2.05 | 0.217 |
Upper Creataceous | 162 | 400 | Siltstone, marl, limestone, sandstone | 2.33 | 0.210 |
Upper Triassic | 562 | 78 | Sandstone clay rich | 3.35 | 0.206 |
Middle Triassic (Anisian) | 640 | 13 | Limestone | 3.00 | 0.200 |
Lower Triassic | 653 | 373 | Siltstone, shale, sandstone | 2.14 | 0.210 |
Upper Permian (Zechstein) | 1026 | 68 | Siltstone, shale, anhydryty, limestone | 2.72 | 0.201 |
Lower Permian (Rotliegend) | 1094 | 56 | Sandstone | 3.95 | 0.204 |
Middle Silurian (Lludlovian) | 1150 | 2190 | Siltstone | 2.05 | 0.217 |
Lower Silurian (Wenlockian) | 3340 | 1143 | Siltstone, shale | 1.87 | 0.213 |
Lower Silurian (Llandovery) | 4483 | 7 | Shale organic rich | 1.25 | 0.215 |
Ordovician | 4490 | 25 | Shale, siltstone | 1.87 | 0.213 |
Middle Cambrian | 4515 | 97 | Shale, siltstone | 1.87 | 0.213 |
Lower Cambrian | 4612 | 279 | Sandstone clay rich | 3.35 | 0.206 |
Ediacaran–Lower Cambrian | 4891 | 186 | Reservoir Formation (Sandstone quartz see text above) | 4.70 | 0.208 |
Paleoproterozoic | 5078 | 42 | Gneiss | 2.70 | 0.191 |
Crystalline basemenet | 5120 | - | - | - | - |
Publisher’s Note: MDPI stays neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations. |
© 2021 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland. This article is an open access article distributed under the terms and conditions of the Creative Commons Attribution (CC BY) license (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Share and Cite
Domagała, K.; Maćkowski, T.; Stefaniuk, M.; Reicher, B. Prediction of Reservoir Parameters of Cambrian Sandstones Using Petrophysical Modelling—Geothermal Potential Study of Polish Mainland Part of the Baltic Basin. Energies 2021, 14, 3942. https://doi.org/10.3390/en14133942
Domagała K, Maćkowski T, Stefaniuk M, Reicher B. Prediction of Reservoir Parameters of Cambrian Sandstones Using Petrophysical Modelling—Geothermal Potential Study of Polish Mainland Part of the Baltic Basin. Energies. 2021; 14(13):3942. https://doi.org/10.3390/en14133942
Chicago/Turabian StyleDomagała, Kacper, Tomasz Maćkowski, Michał Stefaniuk, and Beata Reicher. 2021. "Prediction of Reservoir Parameters of Cambrian Sandstones Using Petrophysical Modelling—Geothermal Potential Study of Polish Mainland Part of the Baltic Basin" Energies 14, no. 13: 3942. https://doi.org/10.3390/en14133942
APA StyleDomagała, K., Maćkowski, T., Stefaniuk, M., & Reicher, B. (2021). Prediction of Reservoir Parameters of Cambrian Sandstones Using Petrophysical Modelling—Geothermal Potential Study of Polish Mainland Part of the Baltic Basin. Energies, 14(13), 3942. https://doi.org/10.3390/en14133942